TÉCNICAS DE CONDICIONAMENTO DE SINAL

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1 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 1 TÉCNICAS DE CONDICIONAMENTO DE SINAL Objectivs d Cndicinament de Sinal: Amplificaçã Cmpensaçã Linearizaçã Casament de Impedância Aument da Sensibilidade Filtragem

2 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 2 Cmpensaçã de grandezas de influência. Se sensr é sensível a utras grandezas além da grandeza que se pretende medir, é imprtante pder eliminar d sinal de medida a sua cntribuiçã. Esta estratégia é nrmalmente cnseguida utilizand um cndicinadr de sinal que cmprta dis sensres idêntics sujeits às mesmas grandezas de influência mas nde apenas um é sujeit à entidade a medir.

3 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 3 Cnversã Impedância/Tensã As variações de impedância de um sensr passiv só pde ser traduzida sbre a frma de um sinal eléctric assciand a sensr uma fnte de tensã e utras impedâncias. A infrmaçã cntida n sinal eléctric btid d cndicinament pde estar cntida quer na sua amplitude quer na sua frequência. evisã de algumas técnicas de cndicinament de sinal aplicadas a sensres passivs em que a infrmaçã prveniente d prcess a medir está embebida na amplitude da tensã de saída. Mntagem Ptencimétrica Pntes

4 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 4 Mntagens Ptencimétricas: medida de resistências A frma mais óbvia de cnverter resistência em tensã é a partir de um simples divisr de tensã. Três cass distints para 1 1º Cas: Mntagem ptencimétrica cm resistência de plarizaçã fixa. A resistência s refere-se à resistência exibida pel sensr A resistência 1 é fixa.

5 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 5 Desta frma, a funçã de transferência d circuit é simplesmente: V = S + S 1 V i 1 s V = S 1 V i elaçã Nã-Linear!!!!! 3.5 Saída em Funçã da esistência s 0.1 Saída em Funçã da esistência s V s V s

6 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 6 Deverá entã a resistência 1 pssuir um valr mais elevad pssível? Este tip de mntagem apesar de simples pr si só nã pssui a capacidade de cmpensar s errs de medida pr variáveis de influência. 2º Cas: Mntagem ptencimétrica cm resistência de plarizaçã sensível às grandezas de influência. A resistência fixa d cas anterir é substituída pr uma resistência sensível às grandezas de influência parasitas. Na prática divisr de tensã é feit recrrend a dis sensres exactamente idêntics clcads sbre as mesmas cndições ambientais mas em que apenas um é sujeit a entidade a medir.

7 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 7 A resistência superir é sujeita apenas às grandezas de influência. m V = V V = V A B i i m i + m A tensã de saída depende apenas da cmpnente de resistência impsta pela entidade que se pretende medir. V = 2 m V i Exempl da aplicaçã desta estratégia

8 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 8 Uma das grandezas que mais influencia valr da resistência de um extensómetr é a temperatura. De frma a cmpensar sinal cndicinad desta grandeza de influência um par de extensómetrs sã mntads sbre a mesma base defrmável mas cm sentids de defrmaçã perpendiculares. Ambs estã sujeits às mesmas grandezas de influência!

9 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 9 3º Cas: A resistência de plarizaçã pssui uma variaçã cntrária ria à d sensr. A resistência de plarizaçã d sensr pssui uma variaçã idêntica em módul e psta em sinal a increment de resistência devid à grandeza a medir. V = V V = V m A B i + i i V = m V i Aument da Sensibilidade Linearizaçã

10 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 10 Exempl de Aplicaçã Medida de Impedâncias Cmplexas O cnceit de cndicinament de sinal pr divisã de tensã pde também ser extraplad para cas em que s sensres pssuam cm saída impedâncias cmplexas.

11 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 11 Estratégia subjacente a cndicinament de sinal pr mntagem ptencimétrica. O par de impedâncias é alimentad pr uma fnte de tensã sinusidal cuja impedância interna cnsidera-se negligenciável. O sinal de medida cnsistirá numa mdulaçã em amplitude d sinal de entrada devid a variações da impedância d sensr. Pr frma a remver a infrmaçã cntida na amplitude d sinal nrmalmente é levada a cab uma peraçã de desmdulaçã e filtragem. QUAL DEVEÁ SE A FEQUÊNCIA DO SINAL DE ENTADA?

12 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 12 Segund a natureza da impedância de plarizaçã é pssível caracterizar entre utras, duas situações distintas. Z1 é puramente hmica V t = Z V t 1 c () i() ( 1+ Z + Zc)( 1+ Z) Z 1 Zc V() t = Vi() t 1 Z1 é uma impedância idêntica à d sensr Cmpensaçã das grandezas de influência, melhra-se a linearidade,aument da sensibilidade.

13 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 13 As mntagens ptencimétricas para cndicinament de sensres passivs pssuem a vantagem de serem simples n entant este tip de mntagens sã altamente sensíveis a tensões parasitas. DEMO. Sluçã: Pntes

14 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 14 PONTES Uma pnte cnsiste num circuit eléctric cmpst pr uma mntagem ptencimétrica dupla. Essa mntagem pde ser efectuada cm apenas elements resistivs e uma fnte de tensã cntínua. As impedâncias sã cmplexas e a fnte de tensã é sinusidal.

15 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 15 Pnte de Wheatstne Pde ser usada em duas situações distintas. - medida d valr de uma resistência descnhecida pr cmparaçã cm valres padrã das restantes resistência. - usada para detectar pequenas variações na resistência pr exempl de um sensr. V = VA VB = V Vi ( + )( + ) A saída será nula se numeradr fr nul! Cndiçã de Equilíbri

16 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 16 Quand valr das resistências varia cm referência à pnte equilibrada, verifica-se que a variaçã da tensã de saída é prprcinal à variaçã das resistências. Se determinarms a sensibilidade da pnte à variaçã das resistências btém-se V = V + 2 i ( ) V = V + 1 i ( ) 2 2 V = V + 4 i ( ) V = V + 3 i ( ) 2 2 Variaçã glbal da tensã de saída devid à variaçã parcial de cada resistência V = Vi ( 1 2) 2 1 ( 3 4) a tensã de desequilíbri, apesar de prprcinal, nã é uma funçã linear da variaçã das resistências

17 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 17 1 = 2 = 3 = 4 = a variaçã de apenas uma das resistências de um dad ram cnduz a: V V i = claramente nã linear!!! para variações de resistência muit menres d que a resistência d dispsitiv V Vi = 4 Tal cm para a mntagem ptencimétrica estudada anterirmente a nã linearidade da pnte (assim cm d sensr) pde ser melhrada recrrend a cnfigurações que incluem mais d que um sensr.

18 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 18 1º Cas V Vi m = m Sem Cmpensaçã Baixa Sensibilidade Baixa Linearidade Simplicidade 2º Cas V Vi m = m Sem Cmpensaçã Mair Sensibilidade Baixa Linearidade

19 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 19 3º Cas V V i V m i m = V = ( m + i) m Baixa Linearidade Baixa Sensibilidade Cmpensaçã 4º Cas V Vi m = 2 + i Mair Sensibilidade Melhr Linearidade Cmpensaçã

20 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 20 5º Cas = m V Vi + i Linearidade Sensibilidade Cmpensaçã Cmplexidade Nrmalmente sensr está afastad da pnte. O que acntece nessa situaçã????

21 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 21 Cmpensaçã das resistências ds cndutres???????

22 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 22 Tensã de desequilibr independente da variaçã da resistência ds cndutres: mntagem a tês fis Tal cm as mntagens ptencimétricas as pntes também pdem ser usadas para medir variações em impedâncias cmplexas. -Pnte de Sauty -Pnte de Maxwell

23 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 23 Pnte de Sauty Cndiçã de equilíbri: Cv=C V () t V () t C C = 2 C + C i V S V S Pnte de Maxwell Cndiçã de equilíbri ZsZv=K 2 K = 1 e = Z V () t Vi() t + Z = 2 s ( + Z ) 2

24 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 24 Cnversã Impedância/Frequência Um métd alternativ cnsiste na bservaçã nã da amplitude mas da frequência d sinal de saída face a uma variaçã da impedância de um determinad sensr passiv. Cm base neste tip de circuits de cndicinament encntram-se s sciladres. Frnecem um sinal cuja frequência é mdulada pela infrmaçã prveniente d prcess a medir pr variaçã da impedância d sensr. Cdificand a infrmaçã na frequência pssui a vantagem de: - Melhr imunidade às interferências electrmagnéticas - A cnversã da infrmaçã sbre a frma numérica é facilitada (cntagem de períds)

25 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 25 Cntud, para este tip de cndicinament de sinal a relaçã entre a frequência de saída e a variaçã da impedância d sensr é nã-linear Existem basicamente dis tips de sciladres: - Os sciladres sinusidais. - Os sciladres de relaxaçã. Os primeirs tem pr base a variaçã da frequência de uma nda sinusidal prvcada pr variações de impedância. Exempls: sciladr Clpitts e sciladr Hartley O sciladr de relaxaçã têm pr base um multivibradr astável que nã é mais d que um geradr de sinais rectangulares.

26 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 26 Alguns exempls:

27 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 27 Pré-Amplificadres Qualquer sensr pde ser vist, a partir ds seus terminais de saída, cm send equivalente a um circuit cmpst pr uma fnte e uma impedância interna. O circuit de cndicinament que se lhe segue deve pssuir uma impedância de entrada de acrd cm tip de cmprtament que se pretende que este exiba. Se fr bjectiv a mediçã da crrente de um sensr electricamente equivalente a uma fnte de crrente: i ( m ZS m ) = i S( m ) Z + Z i S

28 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 28 Se a infrmaçã crrespndente à entidade a medir é frnecida sbre a frma de uma f.e.m. V ( m Zi m ) = V S( m ) Z + Z i S Cnclui-se que dispsitiv de cndicinament de sinal deve pssuir uma impedância aprpriada a mdel de funcinament d sensr adptad. Devid a baix nível de ptência frnecid pels sensres um ds papéis d circuit de cndicinament passa, sem dúvida, pela amplificaçã. Necessidade de elevar nível ds sinais prvenientes d sensr? A base da mair parte ds sistemas de cndicinament de sinal é amplificadr peracinal (AMPOP).

29 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 29 AMPOP s Amplificadr de crrente cntínua d tip diferencial cm elevad ganh. Pssui duas entradas uma inversra e uma nã-inversra. O cmprtament deste tip de dispsitivs é regulad pr uma malha de realimentaçã. Características Ideais: Ganh de tensã em malha aberta infinit. Impedância de entrada infinita. Impedância de saída nula. Largura de banda infinita.

30 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 30 Linearizaçã V Vi = 2 Fntes de Err Amplificadr Ideal <> Mdel Entre utrs, s errs de aprximaçã a mdel ideal devem-se a: - Tensões de Offset

31 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 31 - Crrentes de Plarizaçã -Deriva - Errs de Ganh Quand um amplificadr peracinal é usad na sua cnfiguraçã diferencial admite-se que este pssui ganhs idêntics para ambas as entradas! (D.)

32 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 32 Amplificadr de Instrumentaçã Amplificadr diferencial ptimizad relativamente as seus parâmetrs DC f 1 V () t = ( V2() t V1() t ) g Permite ajuste d ganh diferencial pr variaçã de apenas uma resistência. - Nã Altera CM - Nã Altera Zi

33 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 33 Amplificadr Chpper - Prblema de Deriva - Amplificadr Estabilizad pr Chpper Cnsiste em separar d sinal de entrada as cmpnentes de alta frequência das cmpnentes de baixa frequências.

34 Instrumentaçã Electrónica e Medidas: Técnicas de Cndicinament de Sinal 34 Amplificadr de Carga Um amplificadr sensível à carga é um amplificadr peracinal inversr cm uma capacidade cm impedância de realimentaçã V () t itdt () = = C q C Este dispsitiv de cndicinament de sinal frnece uma tensã prprcinal à carga pdend ser usad em duas situações distintas: A grandeza a traduzir é prprcinal à carga que aparece ns eléctrds d sensr (ex. sensr piezeléctric). O sinal que aparece as terminais d sensr é funçã da capacidade d sensr.